離子交換纖維的應(yīng)用研究（二）

謝軍年，黃健泉

（廣西大圓糖機設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530022）

8 關(guān)鍵技術(shù)難題

目前，離子交換纖維脫色工藝存在的技術(shù)問題及難點有：纖維容易泄漏、離子交換纖維裝填的均勻性、離子交換纖維易污染及再生廢液的處理。

9 針對關(guān)鍵技術(shù)難題采用的技術(shù)措施

9.1 解決纖維的泄漏問題

在每節(jié)交換纖維中的上下各安裝一塊80目的不銹鋼網(wǎng)，內(nèi)襯一塊120目的不銹鋼網(wǎng)，在所有出口處內(nèi)襯一塊100目的不銹鋼篩網(wǎng)，每節(jié)柱子安裝時保證平穩(wěn)。

9.2 解決交換柱的均勻性問題

首先纖維的安裝采用濕態(tài)裝填，裝填時壓平壓緊，裝填密度為（102g/ml），入汁時采用自下而上的方式，保證物料在交換柱呈滯留狀態(tài)運行。

表4 脫色后清汁質(zhì)量指標

表5 精制糖理化指標

9.3 解決纖維的污染問題

糖汁中的泥、蔗渣等物質(zhì)會附在纖維表層上，使纖維結(jié)塊，交換前必須將泥、蔗渣等固體物質(zhì)除去，因此在交換前進行曲篩過濾，在本次試驗中我們采用的措施是在泵頭加一層120目的不銹鋼網(wǎng)。對纖維造成主要污染的物質(zhì)膠體，在清汁經(jīng)過離子交換柱時會附在纖維的表層上以阻礙色素的交換及再生，解決的措施主要是進行深度預(yù)處理，清汁先經(jīng)過1μm袋式過濾器，再經(jīng)過纖維過濾器。

9.4 再生廢液處理問題

再生廢液主要包括兩部分：一部分是陰離子交換柱排出的廢液，一部分是陽離子交換纖維排出的廢液。

對廢液的處理，下面分別論述。

第一部分：陰離子交換柱排出的廢液。

由于陰離子交換纖維使用鈣鹽進行再生，因此可以在流程中重復(fù)使用。廢液分為三部分，第一部分色素含量少，氯離子含量高，可回流對纖維進行預(yù)再生；第二部分色素含量大，總量約占1/3，可回流到主流程形成鈣沉淀將色素沉淀排出；最后一部分色素含量少，也可以對纖維進行預(yù)處理。因此陰離子交換纖維的再生每次只需要補充全耗量的1/3即可，最終陰離子交換柱無廢液排出。所排部分含大量色素，可提煉成色素作為著色劑，做到回收利用，清潔生產(chǎn)。

第二部分：陽離子交換柱排出的廢液。

陽離子交換纖維是使用鈉鹽進行再生，再生廢液中氯離子的含量高，因此完全可以用來對陰離子進行再生，即排出的再生廢液用來對陰離子進行再生。

10 產(chǎn)品達到的技術(shù)經(jīng)濟指標

脫色后清汁最終要達到的質(zhì)量指標如表4所示。

精制糖的理化指標應(yīng)滿足GB317-2018要求，如表5所示。

10.1 小試試驗結(jié)果

脫色率測定方法：

10.2 離子交換纖維對亞法糖汁的脫色試驗

試驗選取亞硫酸法糖廠的清凈汁和澄清汁進行靜態(tài)脫色對比試驗，試驗結(jié)果見圖3、圖4。從圖3、圖4可以看出，離子交換纖維對澄清汁的脫色率明顯高于清凈汁。清凈汁是經(jīng)過澄清汁與濾清汁混合而成，清凈汁比澄清汁含有更多的懸浮物，懸浮物易覆蓋在纖維的表面，而離子交換過程是在表面進行，懸浮物阻止了離子交換和吸附脫色過程，使得其對清凈汁的脫色效能下降。因此，利用離子交換纖維對糖汁進行脫色，應(yīng)盡量避免懸浮物特別是膠體的污染。

圖3 靜態(tài)脫色效果圖

表6 不同再生劑對纖維再生效果的影響

表7 再生劑濃度對再生效果的影響

表8 脫色清汁性能指標

表9 運行周期中陽離子交換纖維交換容量的變化

表10 離子交換纖維疲勞試驗結(jié)果

表11 中試清汁各項質(zhì)量指標變化

11 離子交換纖維再生試驗結(jié)果

11.1 氯化鈣濃度：5%，氯化鈉濃度：5%

通過試驗可以看出，相同質(zhì)量濃度的氯化鈣的再生效果明顯優(yōu)于氯化鈉的再生效果。試驗結(jié)果見表6。

11.2 不同濃度的氯化鈣再生試驗

隨著濃度的升高，再生效果越來越好，洗出的色素顏色越來越深。考慮到再生成本，實際應(yīng)用中取氯化鈣的濃度為3～5%。試驗結(jié)果見表7。

圖4 澄清汁的動態(tài)脫色效能圖

12 小生產(chǎn)中試結(jié)果

結(jié)合中試方案，性能指標測試結(jié)果見表8。此數(shù)據(jù)為廣西產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院檢測數(shù)據(jù)。

從表9中可以看出，陽離子交換纖維在運行周期中再生后交換容量略有下降，但再生率均保持在90%以上，這說明再生率穩(wěn)定。

從疲勞試驗結(jié)果看（如表10所示），陰離子交換纖維在使用310次以后交換容量下降7.3%，這說明陰離子交換纖維的使用壽命大于310次。同時陽離子交換纖維在使用400次以后交換容量和出廠時交換容量相當，無明顯下降，陽離子交換纖維使用壽命大于400次。這說明離子交換纖維用于處理甘蔗糖廠清汁完全可使用2個榨季。

從表11中可以看出，清汁依次經(jīng)過第一節(jié)柱、第二節(jié)柱、第三節(jié)柱后質(zhì)量穩(wěn)定，色值依次降低。清汁從第三節(jié)排出后，色值依次升高，到180IU時即處理量為2m3時即飽和，色值迅速下降。

目前離子交換技術(shù)在制糖行業(yè)已應(yīng)用到煉糖生產(chǎn)當中，但還未應(yīng)用到甘蔗糖廠中。在甘蔗糖廠的應(yīng)用中離子交換纖維與傳統(tǒng)的離子交換樹脂相比具有得天獨厚的優(yōu)勢，見表12。

表12 纖維處理糖汁工藝與其他工藝對比

13 實際達到的技術(shù)經(jīng)濟指標

13.1 成本核算（以小型生產(chǎn)線投入計算）

離子交換纖維共20千克，售價按500元/千克計算，總計：10000元。使用壽命按1000次計算，則每次的成本為10元。

再生時每次使用氯化鈣40千克，共再生2次，可重復(fù)利用，按30%用量核算，此項成本為60元。

每個周期耗電3度，按0.3元/度計算，總計0.9元。

設(shè)備折舊和維修費用攤銷為5元。

以上總計：75.9元。

13.2 噸糖成本

小型生產(chǎn)線每次至少產(chǎn)糖1.2噸，則噸糖成本為63.25元。

13.3 效益分析

由于不用二次結(jié)晶，每噸精制糖生產(chǎn)成本節(jié)省汽耗約160元［1］。

這樣每噸的收益為160-63.25=96.75元。

人工及管理成本未計算，糖廠噸糖直接效益增加96元。

本工藝是在半灰半硫工藝基礎(chǔ)上做的，如果計算此部分成本，效益更加可觀。

使用本工藝后將不必停機洗罐，這也為糖廠間接增加了效益。

因此本工藝效益相當可觀。

14 離子交換纖維技術(shù)的特點及存在問題

國內(nèi)外對甘蔗糖廠糖汁澄清汁工藝進行大量的研究，本工藝具有如下特點。

第一，離子交換纖維對色素的去除效果不是暫時抑制，而是從根本上去除生色基。

第二，離子交換纖維對清汁的脫色效果相當明顯，脫色清汁上乘、穩(wěn)定。

第三，再生容易，再生時間短。使用鈣鹽再生，不會形成污染。

第四，離子交換纖維交換速度快，能滿足糖廠大規(guī)模生產(chǎn)需求。離子交換纖維交換容量大，可以滿足脫除糖汁中大量而高濃度色素的需求。

第五，可為糖廠增加效益96元/噸糖。

第六，再生廢液可回收再生。

第七，離子交換纖維使用壽命長，可使用2個榨季以上，能滿足糖廠榨季要求。

第八，對清汁的適應(yīng)性強，能滿足糖廠生產(chǎn)波動的需求。

糖汁脫色一直以來都是困擾制糖科學(xué)家的一個技術(shù)難題，廣大學(xué)者都在試圖找到一種高效而廉價的脫色方法，而離子交換纖維正是這樣一種理想的載體。

離子交換纖維試驗存在的問題如下。

一是交換時阻力大，停留時間長。

纖維本身的結(jié)構(gòu)決定了其阻力系數(shù)大，如設(shè)備高度越高，阻力越大，這無疑中將增加糖汁在交換柱中的停留時間。從脫色工藝效果看，停留時間越長脫色效果越好，但停留時間長對糖汁蔗糖分還原糖分影響越大，因此兩者必須找到一個合適的平衡點。

二是自動控制問題。本次全部采用手動控制，所以試驗穩(wěn)定性不夠，有時出現(xiàn)偏差，需設(shè)計一套全自動控制系統(tǒng)。

15 結(jié)論及今后打算

第一，根據(jù)小試及中試的試驗結(jié)果和實際情況，確定生產(chǎn)試驗的工藝流程和工藝條件，可以穩(wěn)定的處理甘蔗糖廠清汁，為實現(xiàn)一步法制做精制糖創(chuàng)造了條件。

第二，所確定的工藝設(shè)備簡單、性能可靠，具有一定靈活性，能滿足工藝要求。

第三，已確定的工藝技術(shù)條件和工藝設(shè)備可以長期穩(wěn)定的生產(chǎn)，清汁的性能指標達到了生產(chǎn)要求的質(zhì)量檢驗標準。

第四，在穩(wěn)定試驗生產(chǎn)過程中，根據(jù)實際消耗進行了初步的經(jīng)濟核算，噸糖效益增加96元，如能進一步采用技術(shù)措施并加強管理，其效益更加可觀。

第五，要集中精力解決技術(shù)問題，制作大規(guī)模設(shè)備以滿足糖廠生產(chǎn)要求。新工藝的研制成功，將帶來制糖業(yè)的一次技術(shù)進步，糖廠可以從以下幾個方面獲得良好的經(jīng)濟效益。

一是提高糖廠產(chǎn)品的品質(zhì)

通過本工藝所生產(chǎn)的清汁色值（150IU以下），完全可以用于生產(chǎn)精制糖，而我國大多數(shù)糖廠只能生產(chǎn)優(yōu)級糖和一級糖，不能生產(chǎn)精制糖。通過該工藝后實現(xiàn)甘蔗糖廠一步法生產(chǎn)精制糖可以整體提升制糖行業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)，增強我國制糖業(yè)在國際上的競爭力，同時必將帶來良好的經(jīng)濟效益。

二是節(jié)約能源

糖業(yè)是耗能大戶，目前我國將節(jié)能提到重要的位置，隨著人們生活水平的提高，精制糖生產(chǎn)數(shù)量將會迅速增加。本工藝把甘蔗直產(chǎn)精制糖變?yōu)榭赡埽沟镁铺巧a(chǎn)工藝流程得到簡化，傳統(tǒng)制糖工藝需回溶煮成原糖（所耗蒸氣約18～20%對蔗比）。據(jù)估算，單就這一步年產(chǎn)100萬噸精制糖就可以節(jié)約260萬噸煤，約值1.8億元，這無疑為節(jié)能生產(chǎn)特別是為糖廠節(jié)約成本提供一個良好的平臺。

三是提升制糖行業(yè)的技術(shù)水平

甘蔗制糖業(yè)是我區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，行業(yè)的穩(wěn)定將影響到社會穩(wěn)定。離子交換纖維處理甘蔗糖廠清汁新工藝的研發(fā)成功是制糖行業(yè)技術(shù)水平的一個進步，對提升整個制糖技術(shù)水平具有重大的作用，有利于提高我國制糖業(yè)在國際上的市場競爭力。

四是為糖廠提供多樣化經(jīng)營

本工藝的研究成功，不但可實現(xiàn)一步法生產(chǎn)精制糖，企業(yè)根據(jù)市場變化可生產(chǎn)精制糖，優(yōu)級糖及一級糖，為糖廠提供產(chǎn)品多樣化經(jīng)營。